. Các chỉ số trùng hợp tương hỗ quan sát được
3.14. Các chế độ hoạt động của DES.
Có 4 chế độ làm việc đã được phát triển cho DES: Chế độ chuyển mã điện tử (ECB), chế độ phản hồi mã (CFB), chế độ liên kết khối mã (CBC) và chế độ phản hồi đầu ra (OFB). Chế độ ECB tương ứng với cách dùng thông thường của mã khối: với một dãy các khối bản rõ cho trước x1,x2,. . .( mỗi khối có 64 bít), mỗi xi sẽ được mã hoá bằng cùng một khoá K để tạo thành một chuỗi các khối bản mã y1y2 ... theo quy tắc yi = eK(yi-1⊕xi) i ≥ 1. Việc sử dụng chế độ CBC được mô tả trên hình 3.4.
Trong các chế độ OFB và CFB dòng khoá được tạo ra sẽ được cộng mod 2 với bản rõ (tức là nó hoạt động như một hệ mã dòng, xem phần 1.1.7). OFB thực sự là một hệ mã dòng đồng bộ: dòng khoá được tạo bởi việc mã lặp véc tơ khởi tạo 64 bít (véc tơ IV). Ta xác định z0 =IV và rồi tính dòng khoá z1z2 . . . theo quy tắc zi = eK(zi-1), i≥1. Dãy bản rõ x1x2 . . . sau đó sẽ được mã hoá bằng cách tính yi = xi⊕ zi,i ≥1.
Trong chế độ CFB, ta bắt đầu với y0 = IV (là một véc tơ khởi tạo 64 bít) và tạo phần tử zi của dòng khoá bằng cách mã hoá khối bản mã trước đó. Tức zi = eK(yi-1), i ≥1. Cũng như trong chế độ OFB: yi = xi ⊕ zi,i ≥1. Việc sử dụng CFB được mô tả trên hình 3.5 (chú ý rằng hàm mã DES eK được dùng cho cả phép mã và phép giải mã ở các chế độ CFB và OFB).
Hình 3.5. Chế độ CFB x1 x2 + + eK eK y1 y2 IV=y0 . . . Mã hoá Encrypt y1 y2 dK dK + + x1 x2 IV=y0 . . . Giải mã Decrypt
Cũng còn một số biến tấu của OFB và CFB được gọi là các chế độ phản hồi K bít (1 < K < 64 ). ở đây ta đã mô tả các chế độ phản hồi 64 bít. Các chế độ phản hồi 1 bít và 8 bít thường được dùng trong thực tế cho phép mã hoá đồng thời 1 bit (hoặc byte) số liệu.
Bốn chế độ công tác có những ưu, nhược điểm khác nhau. ở chế độ ECB và OFB, sự thay đổi của một khối bản rõ xi 64 bít sẽ làm thay đổi khối bản mã yi tương ứng, nhưng các khối bản mã khác không bị ảnh hưởng.
x1 x 2 + + y1 y2 IV=y0 . . . Mã hoá Encrypt eK eK y1 y 2 + + x1 x2 IV=y0 . . . Giải mã Decrypt eK eK
Trong một số tình huống đây là một tính chất đáng mong muốn. Ví dụ, chế độ OFB thường được dùng để mã khi truyền vệ tinh.
Mặt khác ở các chế độ CBC và CFB, nếu một khối bản rõ xi bị thay đổi thì yi và tất cả các khối bản mã tiếp theo sẽ bi ảnh hưởng. Như vậy các chế độ CBC và CFB có thể được sử dụng rất hiệu quả cho mục đích xác thực. Đặc biệt hơn, các chế độ này có thể được dùng để tạo mã xác thực bản tin ( MAC - message authentication code). MAC được gắn thêm vào các khối bản rõ để thuyết phục Bob tin rằng, dãy bản rõ đó thực sự là của Alice mà không bị Oscar giả mạo. Như vậy MAC đảm bảo tính toàn vẹn (hay tính xác thực) của một bản tin ( nhưng tất nhiên là MAC không đảm bảo độ mật).
Ta sẽ mô tả cáchb sử dụng chế độ BCB để tạo ra một MAC. Ta bắt đầu bằng véc tơ khởi tạ IV chứa toàn số 0. Sau đó dùng chế đô CBC để tạo các khối bản mã y1,. . . ,yn theo khoá K. Cuối cùng ta xác định MAC là yn. Alice sẽ phát đi dãy các khối bản rõ x1,x2,. . . ,xn cùng với MAC. Khi Bob thu được x1. . .xn anh ta sẽ khôi phục lại y1. . .yn bằng khoá K bí mật và xác minh xem liệu yn có giống với MAC mà mình đã thu được hay không.
Nhận thấy Oscar không thể tạo ra một MAC hợp lệ do anh ta không biết khoá K mà Alice và Bob đang dùng. Hơn nữa Oscar thu chặn được dãy khối bản rõ x1. . .xn và thay đổi ít nhiều nội dung thì thì chắc chắn là Oscar không thể thay đổi MAC để được Bob chấp nhận.
Thông thường ta muốn kết hợp cả tính xác thực lẫn độ bảo mật. Điều đó có thể thực hiện như sau: Trước tiên Alice dùng khoá K1 để tạo MAC cho x1. . . xn . Sau đó Alice xác định xn+1 là MAC rồi mã hoá dãy x1. . .xn+1 bằng khoá thứ hai K2 để tạo ra bản mã y1. . .yn+1 . Khi Bob thu được y1. . .yn+1 , trước tiên Bob sẽ giải mã ( bằng K2) và kiểm tra xem xn+1 có phải là MAC đối với dãy x1. . .xn dùng K1 hay không.
Ngược lại, Alice có thể dùng K1 để mã hoá x1. . .xn và tạo ra được y1...yn , sau đó dùng K2 để tạo MAC yn+1 đối với dãy y1. . .yn. Bob sẽ dùng K2 để xác minh MAC và dung K1 để giải mã y1. . .yn
Chương 4: Mật mã công khai 4.1. Giới thiệu về hệ mật mã khóa công khai. 4.1.1. Giới thiệu.
Trong mô hình mật mã cổ điển mà cho tới nay vẫn còn đang được nghiên cứu Alice (người gửi) và Bob (người nhận) bằng cách chọn một khoá bí mật K. Sau đó Alice dùng khoá K để mã hoá theo luật eK và Bod dùng khoá K đó để giải mã theo luật giải dK . Trong hệ mật này, dK hoặc giống như eK hoặc dễ dàng nhận được từ nó vì quá trình giải mã hoàn toàn tương tự như quá trình mã, nhưng thủ tục khoá thì ngược lại. Nhược điểm lớn của hệ mật này là nếu ta để lộ eK thì làm cho hệ thống mất an toàn, chính vì vậy chúng ta phải tạo cho các hệ mật này một kênh an toàn mà kinh phí để tạo một kênh an toàn không phải là rẻ.
Ý tưởng xây dựng một hệ mật khoá công khai là tìm một hệ mật không có khả năng tính toán để xác định dK nếu biết được eK. Nếu thực hiện được như vậy thì quy tắc mã eK có thể được công khai bằng cách công bố nó trong danh bạ, và khi Alice (người gửi) hoặc bất cứ một ai đó muốn gửi một bản tin cho Bob (người nhận) thì người đó không phải thông tin trước với Bob (người nhận) về khoá mật, mà người gửi sẽ mã hoá bản tin bằng cách dùng luật mã công khai eK. Khi bản tin này được chuyển cho Bob (người nhận) thì chỉ có duy nhất Bob mới có thể giải được bản tin này bằng cách sử dụng luật giải mã bí mật dK.
Ý tưởng về hệ mật khoá công khai đã được Diffie và Heliman đưa ra vào năm 1976. Còn việc thực hiện hệ mật khoá công khai thì lại được Rivest. Shamin và Adieman đưa ra đầu tiên vào năm 1977. Họ đã tạo nên hệ mật RSA nổi tiếng. Kể từ đó đã có một số hệ mật được công bố, độ mật của từng hệ dựa trên các bài toán tính toán khác nhau. Trong đó quan trọng nhất là các hệ mật sau:
• Hệ mật RSA
Độ bảo mật của hệ RSA dựa trên độ khó của việc phân tích ra thừa số
• Hệ mật xếp balô Merkle – Hellman.
Hệ này và các hệ có liên quan dựa trên tính khó giải của bài toán tổng các tập con.
• Hệ mật McEliece
Hệ mật nanỳ dựa trên lý thuyết mã đại số và vẫn được coi là an toàn. Hệ mật McEliece dựa trên bài toán giải mã cho các mã tuyến tính.
• Hệ mật ElGamal
Hệ ElGamal dựa trên tính khó giải của bài toán Logarit rời rạc trên các trường hữu hạn.
• Hệ mật Chor – Rivest
Hệ mật Chor – Rivest cũng được xem như một loại hệ mật xếp balô. Tuy nhiên hệ mật này vẫn còn được coi là hệ mật an toàn.
• Hệ mật trên các đường cong Elliptic.
Các hệ này là biến tướng của hệ mật khác, chúng làm việc trên các
đường cong Elliptic chứ không phải trên các trường hữu hạn. Hệ mật này
đảm bảo độ mật vơí khoá số nhỏ hơn các hệ mật khoá công khai khác. Một chú ý quan trọng là một hệ mật khoá công khai không bao giờ có thể bảo đảm được độ mật tuyệt đối (an toàn vô điền kiện). Sở dĩ vậy vì đối phương nghiên cứu một bản mã C có thể mã lần lượt các bản rõ có thể
bằng luật mã công khai eK cho tới khi anh ta tìm được một bản rõ duy nhất P bảo đảm C = eK(P). Bản rõ P này chính là kết quả giải mã của C. Bởi vậy ta chỉ nghiên cứu độ mật về mặt tính toán của hệ này.
Một chú ý quan trọng và có ý ích khi nghiên cứu nữa là khái niệm về
hàm cửa sập một chiều. Ta định nghĩa khái niệm này một cách không hình thức.
Định nghĩa: Hàm f: X →Y đực gọi là hàm một chiều nếu tính y=f(x)
với mọi x ∈ X là dễ nhưng việc tìm x khi biết y lại là vấn đề khó.
Thực ra phát biểu trên chỉ là định nghĩa phi hình thức (do thuật ngữ
“khó” được dùng đến là không định lượng và thậm chí sau này chúng ta đã biết là ngay cả khi đã định lượng bằng sự không tồn tại thuật toán giải bài
toán ngược trong phạm vi đa thức thì khái niệm “khó” nêu trên có tồn tại hay không cũng chưa được ai khẳng định rõ ràng) và điều đáng tiếc hơn nữa là tất cả các hàm ứng cử viên cho khái niệm này cho đến nay chỉ mới “được coi là một chiều.
Chúng ta dễ dàng thống nhất được với nhau là chỉ riêng hàm một chiều là không đủ để xây dựng thành một luật mã theo kiểu công khai hàm mã hoá do vì chính bản thân chủ nhân của bức điện mật cũng gặp phải hoàn cảnh tương tự như người khác. Như vậy để có thể giải mã một cách hữu hiệu thì người giải mã phải có một “hiểu biết tuyệt mật” nào đó về khoá giải (một hiểu biết theo kiểu nếu biết nó thì cách giải dễ dàng) “hiểu biết tuyệt mật” này
được gọi là cửa sập. Hàm một chiều như trên được gọi là hàm một chiều có cửa sập.
Dĩ nhiên dù không biết cửa sập thì người thám mã vẫn có thể sử dụng hiểu biết về hàm f để lần lượt tính tất cả các giá trị f(x) cho mọi bản rõ x cho tới khi tìm được bản rõ thoả mãn y=f(x). Bản rõ tìm được trên chính là kết quả giải mã của y. Ngoài ra người thám mã còn có thể sử dụng nhiều phương pháp tấn công khác nhằm vào đặc thù riêng của từng hàm f để tìm ra bản rõ trong các trường hợp riêng rẽ khác chứ không nhất thiết phải giải bài toán ngược.
Tóm lại đọc an toàn của hệ mật khoá công khai không chỉ phụ thuộc vào
độ khó của việc giải bài toán ngược mà tính bền của sự an toàn này còn phụ
thuộc vào các phương pháp tấn công của các thám mã, vả lại như đã trình bày
ở trên thì toàn bộ các hê khoá mật công khai đang được sử dụng đều chưa đực sự khẳng định về tính “khó” mà ngay cả khi đã có sự đảm bảo này thì có sự
tiến bộ không ngừng của công nghệ tính toán tghì hiển nhiên nhiều vấn đề
chưa thể chứp nhận được trong hiện tại sẽ được chấp nhận trong tương lai. Thực tế không chỉ đối với các hệ mât khoá công khai do vậy quan niêm mới về tính an toàn tương đối mà với nó đã nẩy sinh ra các hệ mật khoá công khai
đồng thời cũng đặt cho chúng ta nhiều bài toán nghiêm túc phải giải quyết khi sử dụng hệ mật này. Chương này giới thiệu cụ thể một số hệ mật công khai
mà với nó sự an toàn cũng như khả năng ứng dụng của nó đã được các bộ óc vĩ trên thế giới thừa nhận là hệ mật khoá công khai sáng giá nhất, đó là hệ
mật khoá công khai RSA.
Hàm mã công khai ek của Bob phải là một hàm dễ tính toán. Song việc tính hàm ngược (tức là hàm giải mã) phải rất khó khăn (đối với bât kỳ
ai không phải là Bob). Đặc tính dễ tính toán nhưng khó tính ngược thường
được gọi là đặc tính một chiều. Bởi vậy điều cần thiết là ek phải là một hàm một chiều.
Các hàm một chiều đóng một vai trò trọng yếu trong mật mã học: Chúng rất quan trọng trong việc xây dựng các hệ mật khoá công khai và trong nhiều lĩnh vực khác. Đáng tiếc là, mặc dù có rất nhiều hàm được coi là hàm một chiều nhưng cho tới nay vẫn không tồn tại được một hàm nào có thể chứng minh được là một hàm một chiều.
Sau đây là một ví dụ về một hàm được coi là hàm một chiều. Giả sử n là tích của hai số nguyên p và q, giả sử b là một số nguyên dương. Khi đó ta xác định ánh xạ f:Zn→ Zn là
f(x)=xb mod n.
(với b và n được chọn thích hợp thì đây chính là hàm mã RSA).
Để xây dựng một hệ mật khoá công khai thì việc tìm một hàm một chiều vẫn chưa đủ. Ta không muốn ek là một hàm một chiều đối với Bob vì anh ta phải có khả năng giải mã các bản tin nhận được có hiệu quả. Điều cần thiết là Bob phải có một cửa sập chứa thông tin bí mật cho phép dễ
dàng tìm ngược của ek. Như vậy Bob có thể giải mã một cách hữu hiệu vì anh ta có một hiểu biết tuyệt mật nào đó về K. Bởi vậy một hàm được gọi là cửa sập một chiều nếu nó là hàm một chiều và nó sẽ trở nên dễ tính ngược nếu biết một cửa sập nhất định.